模态分析和综合技术第8章测量信号后处理
模态分析——精选推荐
I-DEAS有限元模态分析技术指南美国通力（UFC）公司北理工车辆与交通工程学院计算机应用与仿真中心2001年8月目录第1章正则模态分析概述 (2)第2章模态分析方法的选择 (3)第3章正则模态分析的求解选项 (4)第4章利用SVI算法进行模态分析时的解算控制参数 (9)第5章利用Lanczos算法进行正则模态分析时的解算控制参数 (12)第6章选取正则模态分析输出的结果 (13)第7章约束模态分析概述 (14)第8章约束模态分析中SVI算法和Guyan缩减算法的选择 (15)第9章约束模态分析的求解选项 (16)第10章选取约束模态分析输出的结果 (18)第11章刚体模态和运动学自由度 (19)第12章正则模态分析的有限元列式 (22)第13章约束模态分析的有限元列式 (28)第14章线性屈曲分析的有限元列式 (31)第1章正则模态分析概述正则模态动力学分析主要预测无阻尼结构的自振频率和振型。
其用处是多方面的：包括预测共振，避免结构在动载激励下产生破坏性响应；另外，大多数结构的的动响应可以假设为各阶振型的迭加，因此模态分析结果可用于后续进一步动力学分析。
I-DEAS软件提供了三种正则模态分析方法：同步向量迭代法（SVI），Lanczos 迭代法和Guyan缩减法。
更详细的介绍见后文。
I-DEAS软件可以考虑应力刚化和旋转软化对结构模态特性的影响。
对SVI 和Lanczos算法，还提供有频移功能，使用户可以直接提取某些与设计更为相关的高阶模态。
求解后，软件将结果存于列表文件。
振型可用于系统动力学分中构造结构的模态表示。
建立正则模态分析边界条件时，应注意以下几点：●对Lanczos算法—不能包含运动自由度集合（Kinematic DOF set）—如果结构存在刚体模态（即结构在某方向处于无约束状态），必须施加非零频移，其值可以很小，如1Hz。
施加非零频移后，进行求解的仍是自由—自由模态，但此时不能获得所有刚体模态。
模态分析方法与步骤
模态分析方法与步骤下面我将从模态分析的定义、方法、步骤和案例实践等方面进行详细介绍。
一、模态分析的定义模态分析是指通过对系统的不同动态模态（如结构模态、振动模态等）进行分析和评估，以揭示系统的特性、行为和潜在问题。
其目的是为了更好地了解系统的功能、性能、稳定性等，并为系统的优化提供依据。
二、模态分析的方法1.实验方法：通过实际测试和测量，获取系统的模态参数（如固有频率、阻尼比、模态形态等），从而分析系统的动态特性。
2.数值模拟方法：利用数学建模和计算机仿真技术，建立系统的动力学模型，并进行模拟分析，以获取系统的模态响应和模态特性。
3.统计分析方法：通过对大量历史数据或采样数据的分析，探索系统的模态变化规律和概率分布情况。
三、模态分析的步骤1.确定分析目标：明确需要进行模态分析的对象、目的和要求。
例如，是为了定位系统的故障、评估系统的稳定性、优化系统的结构等。
2.数据采集和处理：根据分析目标，确定所需的数据类型和采集方法，例如使用传感器进行采集或获取历史数据。
然后对采集到的数据进行处理，如滤波、时域变换、频域分析等。
3.建立模型：根据已有的数据和系统特性，建立适当的模型。
例如，对其中一结构物进行模态分析时，可以建立结构的有限元模型。
4.分析模态特性：利用实验、仿真或统计方法，分析系统的模态特性，如固有频率、振型等。
可以绘制频谱图、振型图等，以便直观地展示结果。
5.识别问题和改进方案：基于对系统模态特性的分析，识别潜在问题，并提出相应的改进方案。
例如，如果发现其中一模态频率太低，可能意味着系统存在过度振动或共振问题，需要采取相应的措施来改进。
6.验证和优化：对改进方案进行验证和优化，以确保其有效性和可行性。
可以通过迭代分析和实验评估来逐步完善方案。
四、模态分析的案例实践1.桥梁的模态分析：对大跨度桥梁的模态分析可以帮助提前发现潜在的共振问题，并优化桥梁的设计和结构。
例如，可以通过数值模拟方法对桥梁的振动特性进行分析，以确定固有频率和振型，并预测桥梁在不同外界激励下的动态响应。
Chapter08_模态分析初步2
3.频响函数的测量
1.4 分析系统： (1) 毫伏表、相位计、示波器、滤波器、频率计
(2) 频谱分析仪（模拟式、数字式）：HP35665A、 HP3567A、HP3565S
(3) 虚拟设备（PC-Based软件和硬件集成，可视化虚拟分析 仪和显示仪表）
1.5 输出和记录设备： 计算机显示、磁盘、光盘、记录仪、打印机等。
3.频响函数的测量
压电陶瓷（Piezo-Ceramic）激振器：小型、高频（通常可高达 60kHz-180kHz）、推力(Force)小、行程（Stroke）小，位移和波形 (waveform)控制精确（微米级）；
电动式（Electrical）：频带宽(0-5.5kHz)、能量较大，推力可达吨级， 行程一般可达1至2英寸、位移和波形控制较精确（标准台失真 (distortion)可控制在10%以下），但特大推力困难，出于技术垄断和 军事目的20吨以上推力振动台美国限制对华出口；
电液伺服式（Hydro-Electric Servo）：频带窄（0-500 Hz）、能量 大、推力大、行程大；
机械式（Mechanical）：频带窄（10-100Hz）、行程一般数毫米、 噪音大、位移和波形控制不精确；
3.频响函数的测量
(2) 冲击激励（Impact Excitation）： 力锤（Hammer），适用于小阻尼线性结构。还有夯锤、 落锤、摆式冲击锤、小火箭等；
a(t) A RMS
Time
2.2 自动正弦扫描激励(Auto-Swept Sine Excitation)
Tr
Time
3.频响函数的测量
2.3 随机激励(Random Excitation)
纯随机(Random)，应采用汉宁窗（Hanning Window），难免泄漏 （Leakage）
信号分析与处理
信号分析与处理第一章绪论：测试信号分析与处理(de)主要内容、应用；信号(de)分类,信号分析与信号处理、测试信号(de)描述,信号与系统.测试技术(de)目(de)是信息获取、处理和利用.测试过程是针对被测对象(de)特点,利用相应传感器,将被测物理量转变为电信号,然后,按一定(de)目(de)对信号进行分析和处理,从而探明被测对象内在规律(de)过程.信号分析与处理是测试技术(de)重要研究内容.信号分析与处理技术可以分成模拟信号分析与处理和数字信号分析与处理技术.一切物体运动和状态(de)变化,都是一种信号,传递不同(de)信息.信号常常表示为时间(de)函数,函数表示和图形表示信号.信号是信息(de)载体,但信号不是信息,只有对信号进行分析和处理后,才能从信号中提取信息.信号可以分为确定信号与随机信号；周期信号与非周期信号；连续时间信号与离散时间信号；能量信号与功率信号；奇异信号；周期信号无穷(de)含义,连续信号、模拟信号、量化信号,抽样信号、数字信号在频域里进行信号(de)频谱分析是信号分析中一种最基本(de)方法：将频率作为信号(de)自变量,在频域里进行信号(de)频谱分析；信号分析是研究信号本身(de)特征,信号处理是对信号进行某种运算.信号处理包括时域处理和频域处理.时域处理中最典型(de)是波形分析,滤波是信号分析中(de)重要研究内容；测试信号是指被测对象(de)运动或状态信息,表示测试信号可以用数学表达式、图形、图表等进行描述.常用基本信号（函数）复指数信号、抽样函数、单位阶跃函数单位、冲激函数（抽样特性和偶函数）离散序列用图形、数列表示,常见序列单位抽样序列、单位阶跃序列、斜变序列、正弦序列、复指数序列.系统是指由一些相互联系、相互制约(de)事物组成(de)具有某种功能(de)整体.被测系统和测试系统统称为系统.输入信号和输出信号统称为测试信号.系统分为连续时间系统和离散时间系统.系统(de)主要性质包括线性和非线性,记忆性和无记忆性,因果系统和非因果系统,时不变系统和时变系统,稳定系统和非稳定系统.第二章连续时间信号分析：周期信号分析（傅立叶级数展开）非周期信号(de)傅立叶变换、周期信号(de)傅立叶变换、采样信号分析（从连续开始引入到离散）.信号分析研究信号如何表示为各分量(de)叠加,并从信号分量(de)组成情况去观察信号(de)特性.信号(de)分解可以看作为函数(de)分解；完备正交实变函数集信号(de)分解,只要满足狄里赫利条件,任何周期信号可以分解为直流分量和许多余弦或正弦分量,这些余弦和正弦分量(de)角频率是基频(de)整数倍.基频分量、弦波分量；周期信号(de)幅度谱和相位谱,谱线、包络线、是离散频谱.谱线间隔与周期长短(de)关系.复数幅度频谱和复数相位频谱,偶函数和奇函数周期信号(de)平均功率等于直流、基波和各次谐波分量有效值(de)平方和.周期信号(de)功率谱表示信号各次谐波分量(de)功率分布规律.线性非时变系统(de)(de)冲激响应与输入信号(de)卷积积分就是该系统(de)零状态响应.非周期信号(de)幅频谱和相位谱是连续谱.一个非周期信号也可以表示成无穷多个以F(w)(de)相应值加权(de)指数函数组合而成.⎰∞∞-=ωωπωd e F t f t j )(21)(非周期信号分解为许多不同频率(de)分量,分量频率包含从零到无穷大之间(de)一切频率成分,频率分量(de)振幅无穷小,振幅密度给出,振幅频谱和相位频谱.傅立叶变换(de)线性性质说明信号加权和(de)频谱等于各信号频谱(de)加权和.冲激信号中所有频率分量(de)强度均相等,其频带为无限宽.信号在时域中产生一个延迟时间,该信号各频率分量(de)幅值大小不变,但各频谱分量(de)相位缺附加了一个与频率分量线性关系(de)相移.从信号(de)频移特性可以理解调制与解调P29信号在时域中(de)时间函数压缩了α倍,则它在频域中(de)频谱函数就要扩展α倍.信号(de)微分特性可以直接应用在微分方程转频域分析两个函数在时域中进行卷积积分(de)频谱函数等于这两个函数(de)频谱直接相乘.两个函数时域相乘(de)频谱函数等于这两个函数(de)频谱函数进行卷积.周期信号(de)傅立叶变换可以利用周期信号傅立叶级数系数或者信号一个周期所对应非周期信号(de)傅立叶变换(de)结果计算得到.∑∞-∞=-=n n T n F t f F )(2)}({1ωωδπ1|)(101ωωωn n F T F == 理想采样信号(de)频谱,是原连续时间信号频谱(de)周期延拓.香农采样定理说明采样频率必须等于或大于信号所具有最高频率(de)两倍.实际可以选择4-10倍.常用两种近似(de)内插方法来恢复原来(de)连续时间信号,他们是零阶保持法和一阶保持法.第三章：离散时间序列及其Z 变换：离散时间系统、离散系统(de)分类、离散时间信号序列、序列(de)基本运算、Z 正变换与逆变换、常用序列Z 变换、Z 变换性质、离散信号(de)Z 变换,离散系统函数与单位冲激响应、Z 变换与差分方程、零极点分布与系统稳定性.由离散线性系统引出了卷积和；时不变是指输入在时间上有一个平移,引起(de)输出也产生同样(de)时间上(de)平移.仅当系统(de)单位冲激响应满足∞<∑∞-∞=n n h |)(|离散时间系统是稳定(de)系统当单位冲激响应满足0,0)(<=n n h线性时不变系统才是因果系统任意时间序列可以∑-=kk n k x n x )()()(δZ 变换分为双边Z 变换和单边Z 变换,Z 变换(de)收敛域：左内右外双边环,有限序列有限平面.单位圆上(de)Z 变换就是离散序列(de)傅立叶变换实现Z 反变换(de)方法有三种：留数法、幂级数法和部分分式法.离散系统(de)零状态响应可以通过卷积和求得：)(*)()(n h n x n y =也可以通过Z 逆变换来求得：)]()([)]([)(11z H z X Z z Y Z n y --==离散时间系统(de)离散函数用H(z)表示,它是单位冲激响应(de)Z 变换；在离散系统中,Z 变换建立了时间函数与Z 域函数(de)之间(de)转换关系.将差分方程进行Z 变换,转换为Z 域中分析 离散系统(de)极点会影响单位冲激响应(de)最终表现形式.如果一个系统,对某些激励输入不能产生一个稳定(de)输出响应,那么这个系统是不能应用(de).稳定(de)因果离散系统(de)收敛域为1||≥z ,离散系统(de)系统函数极点全部限制在单位圆内,系统稳定.第四章：离散傅立叶变换及其快速算法：序列(de)傅立叶变换、离散傅立叶级数、离散傅立叶变换、快速傅立叶变换、频率域采样定理.序列(de)傅立叶变换定义为单位圆上(de)z 变换.序列傅立叶变换存在(de)条件是序列必须绝对可和.序列傅立叶变换(de)特点在于它是数字角频率(de)连续(de)周期函数,周期为π2,即序列频谱是连续(de)周期谱. 序列频谱(de)表达式是序列频谱傅立叶级数(de)展开式,序列是这一级数(de)各项系数.输出傅立叶变换等于输入傅立叶变换与系统频率响应(de)乘积.傅立叶变换在不同域上关于周期性和离散性(de)对称规律是：一个域中是连续(de),在另外一个域中是非周期(de).一个域中是离散(de),另外一个域中是周期(de).一个域中是周期(de),在另外一个域中是离散(de),在一个域中是非周期(de),在另外一域中连续(de).一个非周期序列可以在频域上分解为一系列连续(de)不同频率(de)复指数序列(de)叠加积分.一个周期为N(de)周期序列可以分解为N 个不同频率(de)复指数系列分量(de)叠加和.分量(de)系数就是周期序列(de)频谱. 离散傅立叶变换是对有限长序列进行傅立叶变换(de)表示.有限长序列(de)离散傅立叶变换是这一序列频谱(de)抽样值,也是序列Z 变换以N /21π=Ω为间隔(de)抽样值.长度为N1和N2(de)两个序列,通过补零(de)方式加长到N>=N1+N2-1,做N 点圆卷积,则圆卷积(de)结果与线卷积(de)结果相同.序列(de)长度为M,只有当频域采样点数大于M 时,才可以用X(k)恢复原序列.第五章：离散傅立叶变换(de)应用：用DFT逼近连续时间信号(de)频谱、线性卷积与圆周卷积用有限长抽样序列(de)DFT来近似无限长连续信号(de)频谱,产生(de)主要误差有栅栏效应、混叠效应和频谱泄露.频谱分辨率是将信号中两个靠得很近(de)谱保持分开(de)能力.频谱泄露是由于时域信号(de)截断引起(de),减少泄露(de)方法有：增加截断长度、改变窗口形状.不管采用那种窗函数,频谱泄露只能减弱,不能消除,抑制旁瓣和减少主瓣宽度不可能同时兼顾,应根据实际情况进行综合考虑.第六章：滤波器原理与结构：滤波器原理及分类,模拟滤波器(de)设计、IIR数字滤波器(de)基本网络结构.滤波器是具有一定传输特性(de)、对信号进行加工处理(de)装置,滤波技术上从复杂信号中提取所需(de)信号,抑制不需要(de)信号.滤波器也可以理解为具有选频特性(de)一类系统.设计不同(de)频率响应函数,可以得到不同(de)滤波效果.滤波器可以分为模拟滤波器和数字滤波器,低通、高通、带通和带阻滤波器.数字滤波器可以分成无限脉冲响应滤波器和有限脉冲响应滤波器.常用模拟滤波器有巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器,巴特沃斯低通滤波器模平方函数(de)表示N c a j H 22)(11|)(|ωωω+= 低通巴特沃斯滤波器(de)设计步骤为：根据设计指标计算滤波器(de)阶数；利用阶次查表求归一化(de)传递函数；利用计算(de)截止频率进行去归一化处理.切比雪夫滤波器与巴特沃斯滤波器相比具有较窄(de)过渡特性.数字滤波器中(de)三种基本运算单元是延迟、乘法和加法运算.IIR 滤波器(de)基本网络结构有直接型、级联型和并联型.FIR 滤波器(de)基本网络结构有直接型、级联型、线性相位型和频率采样结构.第七章：数字滤波器设计：IIR 滤波器(de)设计设计一个数字滤波器,实质上是寻找一组系数,使其满足预定(de)技术要求,然后再设计一个网络结构去实现它.数字滤波器(de)设计步骤：1 根据需要,确定数字滤波器应达到(de)性能指标；2 确定数字滤波器(de)系统函数,使其频率特性满足技术指标要求；3 用一个有限精度(de)运算去实现系统函数或者单位冲激响应；4 确定工程实现方法.IIR低通滤波器(de)设计过程是：按照技术要求设计一个模拟低通滤波器,再按一定(de)转换关系转换成数字低通滤波器(de)系统函数,常用(de)转换方法有冲激响应不变法和双线性变换法.冲激响应不变法设计数字滤波器,不适合高通和带阻滤波器(de)设计双线性变换法适合于片段常数滤波器(de)设计FIR数字滤波器(de)优点是恒稳定和线性相位特性,FIR滤波器设计任务是选择有限长度h(n),是频率特性满足要求.题目类型：填空题 10分选择题 20分简答题 20分计算题 40分实验题 10分1.若要让抽样后(de)信号不产生频谱混叠,在抽样过程中应该满足什么条件答：抽样频率满足奈奎斯特采样定理,信号频谱(de)最高频率小于折叠频率.2.在处理有限长非周期序列时,采用FFT算法可以有效减少运算量,请简要说明你对FFT算法(de)理解以及FFT算法减少运算量(de)原因W对称性、周期性和可约性,不断地将长序列答：快速离散傅里叶变换（FFT）并不是一种新变换形式,但它应用了系数kn N(de)DFT分解成几个短序列(de)DFT,以此达到减少运算(de)次数.3. 若按数学表示法来分,可将日常生活中(de)信号分为确定性信号和随机信号,请谈谈你对这两类信号(de)理解.答：确定性信号时变量（时间）(de)确定函数,对应于变量(de)每一个值,信号值都可唯一地用数学关系式或图表确定.随机信号可用数学式或图表描述,但与变量（时间）没有确定(de)对应关系,准确(de)说,这类信号只能在统计意义上进行研究.4.在FIR数字滤波器设计中,我们知道了FIR滤波器有一个显着特点是线性相位,请谈谈你对这个线性相位(de)理解.答：线性相位指(de)是在信号(de)各个频率分量(de)延时都是相同(de),在时域分析里有利于信号波形(de)保持.5 数字滤波器(de)设计步骤：1 根据需要,确定数字滤波器应达到(de)性能指标；2 确定数字滤波器(de)系统函数,使其频率特性满足技术指标要求；3 用一个有限精度(de)运算去实现系统函数或者单位冲激响应；4 确定工程实现方法.6 IIR低通滤波器(de)设计过程是：按照技术要求设计一个模拟低通滤波器,再按一定(de)转换关系转换成数字低通滤波器(de)系统函数,常用(de)转换方法有冲激响应不变法和双线性变换法.7 低通巴特沃斯滤波器(de)设计步骤为：根据设计指标计算滤波器(de)阶数；利用阶次查表求归一化(de)传递函数；利用计算(de)截止频率进行去归一化处理.8.连续信号经过等间隔采样后,其频谱将发生怎样变化从采样信号无失真(de)恢复出原始信号又应该具备哪些条件答：频谱产生周期延拓,频谱(de)幅度是Xa(jΩ)(de)1/T 倍（2 分,每小点1 分）,条件：连续信号必须带限于fc,且采样频率s c f ≥ 2 f 2分和z变换之间(de)关系是什么和序列(de)傅里叶变换之间(de)关系又是什么答：X(k)是序列傅里叶变换X (e jω )在区间[0,2π]上(de)等间隔采样值,采样间隔为ω=2π/N,X(k)是序列z 变换X (z)在单位圆上(de)等距离采样10.在离散傅里叶变换中引起频谱混叠和泄漏(de)原因是什么,怎样减小这种效应频谱混叠是因为不等式s c f ≥ 2 f 没有得到满足,可令s c f ≥ 2 f ；漏泄是因截断而起,可选用其它形式(de)窗函数.（4 分,各1 分）11请写出框图中各个部分(de)作用12简述频率采样法设计线性相位FIR滤波器(de)一般步骤.13设计一个数字高通IIR滤波器(de)主要步骤及主要公式14 从信号分析与处理(de)知识去理解采样定理、调制与解调.计算题：信号周期判别系统特性分析卷记积分和卷积和计算线性卷积和循环卷积系统微分方程(de)频域复频域（S和Z域）求解、DFT去逼近连续信号频谱(de)参数选择 Z变换(de)零极点分布及求反变换连续和离散信号(de)表示。
模态分析与综合技术第8章 测量信号后处理
第8章 信号处理
8.4 小波变换概述
不同于以往各种时频分析方法，小波分析 具有自适应性的时频分辨率。在小波基础上拓 展而来的小波包分析使其具有更加灵活的分辩 尺度（即频段）。应用小波分析处理信号可以 使我们“既见森林（信号的概貌），又见树木 （信号的细节）”。正是由于小波函数的这种 灵活的、自适应的多分辨率特性，小波分析被 誉为“数学显微镜”。
模态分析与综合技术第8章 测量信号 后处理
第8章 信号处理
8.1 引言
但Fourier分析是信号全局平均（平滑化）， 应用于非平稳信号便显示出它缺乏时频局部信 息的局限性，为此人们在Fourier分析基础上先 后提出短时Fourier分析、Wigner-Ville分布等针 对非平稳信号的分析处理方法。
由于矩形窗的作用，使截断后信号的频谱出 现所谓的“皱波现象”。
第8章 信号处理
8.3 泄露和窗函数
由上述分析可知，泄漏是由于对无限长信 号的突然截断造成的。因此，自然想到，如果 能改变这种突然截断方式，泄漏会得到改善。 改善方案：
对于周期信号采用整周期采样（矩形 窗）；
选择异于矩形窗的适当窗函数，对所取 样本函数进行不等权处理，便是一种有效的措 施。
具体地说，会增加新的频率成分，并且使 谱值大小发生变化，这种现象称为频率泄露： 从能量角度来讲，这种现象相当于原信号各种 频率成分处的能量渗透到其他频率成分上，所 以又称为功率泄漏。
第8章 信号处理
8.3 泄露和窗函数
以余弦函数加矩形窗为例来说明。
无限长余弦函数
无限长余弦函数幅值谱
第八章 模态分析PPT课件
最新课件
23
感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
最新课件
24
建议： 由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应
情况，所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行模态分析。
最新课件
3
计算模态分析
通用运动方程：
• 假定为自由振动并忽略阻尼：
• 假定为谐运动：
这个方程的根是ωi平方， 即特征值， i 的范围从1到自由度的 数目， 相应的向量是{u}I， 即特征向量。
遗漏高端频率.
最新课件
14
• 在模态分析中一般忽略阻尼，但如果阻尼的效果比较明显， 就要使用阻尼法：
– 主要用于回转体动力学中，这时陀螺阻尼应是主要的； – 在ANSYS的BEAM4和PIPE16单元中，可以通过定义实常数 中的SPIN（旋转速度，弧度/秒）选项来说明陀螺效应； – 计算以复数表示的特征值和特征向量。 • 虚数部分就是自然频率； • 实数部分表示稳定性，负值表示稳定，正值表示不确定。
注意• 模态分析假定结构是线性的(如, [M]和[K]保持为常数)
• 简谐运动方程u = u0cos(ωt), 其中ω 为自振圆周频率(弧 度/秒）
最新课件
4
最新课件
5
最新课件
6
最新课件
7
• 特征值的平方根是ωi ， 它是结构的自然圆周频率（弧度/ 秒），并可得出自然频率fi = ωi /2π • 特征向量{u}i 表示振型， 即假定结构以频率fi振动时的形 状 • 模态提取是用来描述特征值和特征向量计算的术语
一定不会理想。
最新课件
20
（4）振形动画
参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频 率、模态阻尼以及相应各阶模态的振形。 由于结构复杂，由许多自由度组成的振形也相当复杂，必须 采用动画的方法，将放大了的振形叠加到原始的几何形状上。
模态分析与综合技术第8章测量信号后处理
模态分析与综合技术第8章测量信号后处理测量信号后处理是指在测量系统中对采集到的原始信号进行处理和分析的过程，以提取出需要的信息，去除噪声和干扰等干扰因素，从而得到准确可靠的测量结果。
模态分析与综合技术第8章主要介绍了测量信号后处理的概念和方法。
测量信号后处理的主要任务包括滤波、采样和重建、谱分析、特征提取和信息融合等。
首先，滤波是对信号进行去除干扰和噪声的处理。
常见的滤波方法有低通滤波、高通滤波、带通滤波等。
低通滤波用于去除高频噪声，高通滤波用于去除低频噪声，带通滤波用于保留信号中特定频率范围的信息。
其次，采样和重建是将连续信号转化为离散信号，并恢复出原始信号。
采样定理要求采样频率至少为信号最高频率的两倍，以避免出现混叠现象。
重建信号可以用插值算法进行恢复，常见的插值算法有线性插值、最近邻插值和样条插值等。
谱分析是对信号的频率特性进行分析。
常见的谱分析方法有傅里叶变换、波谱估计和自相关分析等。
傅里叶变换可以将时域信号转换为频域信号，波谱估计用于估计信号的功率谱密度，自相关分析可以分析信号的自相关性和周期性等特性。
特征提取是从信号中提取出代表信号状态、性质或特点的特征。
常见的特征提取方法有时域特征提取和频域特征提取。
时域特征提取包括信号的均值、方差、峰值、波形指标等；频域特征提取包括信号的频率、功率谱峰值、频率谱形状等。
信息融合是将多个传感器采集到的信号进行综合分析，在保证测量结果准确性的同时，提高信号的可靠性和可用性。
信息融合常用的方法有加权平均法、主成分分析法和小波变换法等。
在测量信号后处理中，还需要考虑信噪比和动态范围的问题。
信噪比是指信号与噪声的波形差异，是评估信号质量好坏的重要指标。
动态范围是指信号的最大和最小幅值的比值，是评估信号有效范围的指标。
综上所述，测量信号后处理是测量系统中不可或缺的重要环节，通过滤波、采样和重建、谱分析、特征提取和信息融合等方法，可以对采集到的原始信号进行处理和分析，从而得到准确可靠的测量结果。
桥梁检测中的信号处理与模态分析研究
桥梁检测中的信号处理与模态分析研究摘要:当今社会，人们对于距离的感知越来越弱，随着各种各项基础设施的建设，道路、高铁等的建设，距离已经不在是人们所必须考虑的问题。
在基础道路的建设方面，有一项道路建设越来越受到关注。
桥梁的建设对于整个社会而言，是极具重大意义的，在经济、文化、百姓生活等方面，都起着重要的交流沟通的作用。
所以安全性的问题对于桥梁而言就显得十分重要了。
本文就针对桥梁的各项性能进行的桥梁检测之中，信号处理以及模态分析分别具有怎样的功能、作用进行了相关的分析和研究。
关键字：桥梁检测；信号处理；模态分析；数据基础；随着科学技术以及交通事业的发展，大型的桥梁在我国的国民经济以及社会生活之中起着至关重要的作用。
因此，渐渐地，有关桥梁的实用性、安全可靠性以及耐久性一步步进入到人们的事业，受到人们的重视与关注。
对于现在的大桥而言，有合理化的建筑设计以及可靠的控制施工是对于桥梁结构安全性的根本性保障，但是在现实生活中由于会受到气候、湿度、温度等一系列可控或者不可控的因素的综合影响，桥梁结构的多种功能会在一定程度上受损、退化，为其安全运行埋下隐患。
一、桥梁检测中的模态分析（一）相关基础理论从发展的历史上来说，模态分析的相关理论是从机械阻抗以及导纳的相关概念的基础上发展起来的。
早期的概念是在二十世纪三十年代时期就已经形成了，发展到今天，已经形成了相对较为完整的理论和方法。
近年来。
模态分析的相关理论不断吸纳其他的理论性概念，如振动理论、数据处理、自动控制、数理统计以及信号分析等等，最终形成一套较为独特和完整的理论，为模态分析以及参数的辨识技术的演进与发展奠定了坚实的理论基础。
【1】针对模态分析的定义，模态分析是指把线性定常系统中的震动微积分方程组里的物理坐标转换成为模态坐标，使得方程组进行解耦，形成一组用模态坐标以及模态参数进行描述的独立方程，进而便于求出整个系统中的模态参数。
坐标进行变换的变换矩阵被称为模态矩阵，他的每一列被称为模态振型。
模态分析后处理步骤
模态软件分析后处理步骤
1、工程→新建→编写文件名并选择存盘路径并保存
2、点击结构文件，点击右键在弹出菜单中选择新建结构文件
3、建模：在菜单栏里选择建模→自动创建→矩形
在矩形参数中设定宽度和长度，宽度等分数一般设置为1，长度等分数按传感器的数量来设置。
4、在屏幕上单击右键，选择对象编辑→结点，在显示出来的表格中最后一栏填
安实际布置传感器的对应结点填写传感器的编号，左右对称。
确定之后显示传感器编号看有无输入错误
5、数据文件的导入：文件→导入数据：选择数据文件的保存目录并确定。
在模
态数据文件选择对话框里点击选择文件，导入原始数据文件，并点击全部选择，然后确定。
6、点击，进行傅里叶变换，对话框中，重叠率选择50%，FFT块中，数值越
大显示的结果越精确。
7、在变换出来的频谱分析图中找到各阶频率的峰值，并加以选择。
8、点击→导入模型数据，设置保存路径，并在对话框中选择基于传递率的参
数识别。
9、最后进行数据匹配，点击把各窗口平铺，放大模型图，即可观看振型。
注：如果数据方向有问题，在动态测试系统中把模态原始数据调出并进行回放保存，再重新分析，很多情况下一阶振型不对，是在传感器参数中方向的设置有问题，一般设置+Y方向。
《机电一体化测试技术》电子教案 第8章 测试信号的分析和处理
• 在进行计算机仿真时，涉及仿真信号的使用。基本的仿真信号包括 正弦波、方波、三角波、锯齿波等。在LabVIEW软件中，提供了专 用的子VI或者Express VI，这些VI都具有输入端口，这些输入端口一 般包含了标准信号的幅值、频率、初始相位、信号采样个数、采样频 率等。用户了解了它们的输入定义以后，就可以得到符合要求的标准 仿真信号。
• 一般又把量化误差看成是模拟信号作数字处理时的可加噪声，故而 又称之为舍入噪声或截尾噪声。量化增量R越大，则量化误差越大， 量化增量大小，一般取决于A/D转换的位数。例如，4位二进制为2一 1 =15，即量化增量R为所测信号最大电压幅值的1/15。
上一页 下一页 返回
任务2采样信号量化误差分析
• 编码—将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。信号x(t)经 过上述变换以后，即变成了时间上离散、幅值上量化的数字信号。
• 量化又称幅值量化，把采样信号x （nTs)经过舍入或截尾的方法变为 只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化。若取信号x(t)可能出 现的最大值A，令其分为D个间隔，则每个间隔长度为R =A/D, R称为 量化增量或量化步长。当采样信号x （nTs)落在某一小间隔内，经过 舍入或截尾方法而变为有限值时，则产生量化误差。如图8一2所示为 信号的6等分量化过程。
上一页 下一页 返回
任务1基于数学表达式，构成表达式的符号总共有f, a,n, w,
t, fs, pi
• (1)七个。
• 其中:
• f一频率，单位是赫兹;
• a—幅值，单位是毫伏;
• w—角频率，
单位是弧度/秒;
• n—目前为止的采样个数;
• t—时间，单位是秒;
• A/ D转换包括了采样、量化、编码等过程，其工作原理如图8一1所示。 • 采样是利用采样脉冲序列p(t)从连续时间信号x （t）中抽取一系列离
【工程测试与信号处理课件】实验模态分析
测点布置 （1）能够较好地反映结构物的构型 （2）能够充分显示结构的模态振型 例：一个梁单元无法求解简支梁的10个模态。计算上一般要求 至少20个单元，计算出的20阶模态，只有前10阶准确。 激励点 应避开节点节线。多点激励进行校核。 激励力的选择 在不破坏试件的情况下，尽可能大的激励力，有助于提高 信噪比。 不同大小的激励力，可以定性考查结构非线性的程度
（2）传感器标定；
（3）将试验结构以适当方式支撑起来； （4）选择适当方式激励试验结构； （5）通过拾振系统测量、记录下激励和响应的时间历程。
2.1 试验结构的支撑
试验的目的决定了试验的支撑条件。试验目的主要有三种情况： 与有限元模型进行比较；在常规工作条件下测量试件的动态特 性；对规定边界条件下的子结构进行试验研究，使之与整体结 构相适应。 与试验目的对应的支撑条件一般有自由支撑、固定支撑和原装 支撑三种。 （1）自由支承(Free-Free Support)。 无约束条件对仿真计算容易实现，但需要进行移频处理。试 验实现真正自由支承的方法有：气悬浮、磁悬浮、太空无重力 环境、自由下落（失重）。
4.系统（参数）识别
4.1频域方法的模态参数识别 根据观测到的输入输出数据建立系统的数学模型，并要求这 个数学模型按照一定准则，尽可能精确地反映系统动态特性， 称系统识别。如果系统的数学模型能用一定数量的参数描述， 那么系统识别便成为参数识别，有称参数辨识或参数估计。 模态参数识别的方法分为直接估计法和曲线拟合法。直接估 计法认为系统的观测数据是准确的，没有噪声和误差，直接 由观测数据求取系统的数学模型。
激振器的支撑： （1）固支在结构物外。 （2）悬挂在结构物外（低频）。 因使激振器悬挂系统的频率远低于结构的激励和弹性体共 振频率。必要时可在激振器上附加大的质量块以进一步降 低悬挂频率。 （3）采用隔振悬挂在结构物内部。
模态分析操作指南
模态分析软件操作说明及实例东方振动和噪声技术研究所1999.3.16目录一模态分析的步骤 (2)1.确定分析的方法 (2)2.测点的选取、传感器的布置 (2)3.仪器连接 (3)4.示波 (3)5.输入标定值 (3)6.采样 (4)7.传递函数分析 (4)8.进行模态分析 (4)二模态分析实例 (5)例一自由梁的模态分析实例 (5)例二楼房的模态分析实例 (15)模态分析是一种参数识别的方法，因为模态分析法是在承认实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的条件下，通过实验数据的处理和分析，寻求其“模态参数”。
模态分析的关键在于得到振动系统的特征向量（或称特征振型、模态振型）。
试验模态分析便是通过试验采集系统的输入输出信号，经过参数识别获得模态参数。
具体做法是：首先将结构物在静止状态下进行人为激振（或者环境激励），通过测量激振力与振动响应，找出激励点与各测点之间的“传递函数”，建立传递函数矩阵，用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。
东方所研制的模态分析系统，自推出以来参与了许多重大的科研项目如大型航空航天设备（长征火箭、通信卫星、大型雷达、火箭发射平台等）、大桥（火箭激振钱塘江大桥、锤击法激振乌海黄河铁路大桥属国内首次）、大楼、大坝、、机车（汽车）车辆和大型港口机械等，分析精度高、操作简便，尤其是变时基模态分析及高速模态三视图动画技术更是在国内外处于领先地步。
一、模态分析的步骤1. 确定分析的方法DASP中提供的模态分析方法有多输入单输出法、单输入多输出法和多输入多输出方法。
一般采用较多的是多输入单输出或单输入多输出方法，在这两种方法中选取时，视哪一种方法简便而定，如激励装置大、不好移动但传感器移动方便就选取单输入多输出方法（即单点激励、多点移步拾振）；如传感器移动不方便但激励装置小、容易移动就选取多输入单输出方法（即单点拾振、多点移步激励）。
信号的分析与处理方法及应用
信号分析与处理方法及应用摘要信号是通信系统在运行过程中各种随时间变化的动态信息，经各种测试仪器拾取并记录和存储下来的数据或图像。
信号处理与分析技术则是工业发展的一个重要基础技术。
随着各行各业的快速发展和各种各样的应用需求，信号分析和处理技术在信号处理速度、分辨能力、功能范围以及特殊处理等方面将会不断进步，新的处理激素将会不断涌现。
当前信号处理的发展主要表现在：1.新技术、新方法的出现；2.实时能力的进一步提高；3.高分辨率频谱分析方法的研究三方面。
信号处理的发展与应用是相辅相成的，工业方面应用的需求是信号处理发展的动力，而信号处理的发展反过来又拓展了它的应用领域。
机械信号的分析与处理方法从早期模拟系统向着数字化方向发展。
在几乎所有的通信领域中，它一直是一个重要的研究课题。
随着信息技术的不断发展和信息技术应用领域的不断扩展，这门课程已经从电子信息工程类专业的专业基础课程扩展成电子信息、自动控制、电子技术、电气工程、计算机技术、生物医学工程等众多电类专业的专业基础课程，甚至在很多非电专业中也设置了这门课程。
而其内容也从单一的电系统分析扩展到许多非电系统分析。
虽然各个专业开设这门课程时的侧重点会有所不同，应用背景也有差异，但是，本课程所提练的信号与系统的分析与处理的基本理论与基本方法是通用的。
关键词：信号系统与处理信号分析电子信息第一章、信号系统的分析“信号分析与处理”这门课程正是近几年来在适应信息学科迅速发展、相应基础理论教学要求不断更新的情况下，形成的一门新课程。
它整合了“信号与系统分析”和“数字信号处理”两门课程体系彼此存在的内存联系，注重了与“自动控制理论”的分工，从电子信息学科的基本任务出发，以信号分析为基础，系统分析为桥梁，处理技术为手段，设计系统为目的，实现原理、方法和应用三结合，把系统分析与设计系统服从于信号交换与处理的需要，从根本上改变了传统的以系统分析为主、信号处理为辅的状况，加强了两门课程之间的联系。
模态试验分析流程与详细方法
模态试验分析方法简介1 试验模态分析的基本步骤试验模态分析一般分为如下的四个步骤：第一步：建立测试系统所谓建立测试系统就是确定实验对象，选择激振方式，选择力传感器和响应传感器，并对整个测试系统进行校准。
第二步：测量被测系统的响应数据这是试验模态的关键一步，所测量得到的数据的准确性和可靠性直接影响到模态试验的结果。
在某一激振力的作用下被测系统一旦被激振起来，就可以通过测试仪器测量得到激振力或响应的时域信号，通过输血手段将其转化为频域信号，就可以得到系统频响函数的平均估计，在某些情况下不要求计算频响函数，只需要时间历程就可以了。
第三步：进行模态参数估计即利用测量得到的频响函数或时间历程来估计模态参数，包括：固有频率，模态振型，模态阻尼，模态刚度和模态质量等。
第四步：模态模型验证它是对第三步模态参数估计所得结果的正确性进行检验，它是对模态试验成果评定以及进一步对被测系统进行动力学分析的必要过程。
以上的每个步骤都是试验模态中必不可少的组成部分，其具体的介绍如下：2、建立测试系统建立测试系统是模态试验的前期准备过程，它主要包括：被测对象的理论分析和计算，测试方案的确定（包括激振方式的确定，传感器的选择，数据采集分析仪器的选择等），按照方案要求安装和调试，测试系统的校准等工作。
接下来对激振方式，传感器的选择和数据采集仪器的选择的具体介绍如下：2.1激振方式的确定：激振方式有很多种，主要分为天然振源激振和人工振源激振。
天然振源包括地震，地脉动，风振，海浪等；其中地脉动常被使用于大型结构的激励，其特点是频带很宽，包含了各种频率的成分，但是随机性很大，采样时间要求较长，人工振源包括起振机，激振器，地震模拟台，车辆振动，爆破，张拉释放，机械振动，人体晃动和打桩等。
其中爆破和张拉释放这两种方法应用较为广泛。
在工程实际中应当根据被测对象的特点，选取适当的激振方式。
2.2传感器的选择：传感器是测试系统的一次仪表，它的可靠性，精确度等参数指标直接影响到系统的质量。
模态试验及分析的基本步骤
模态试验及分析的基本步骤本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March模态试验及分析的基本步骤1.动态数据的采集及响应函数分析首先应选取适当的激励方式。
激励方式可以是正弦、随机或瞬态中的任何一种。
激励方式不同，相应的模态参数识别方法也不同。
目前主要有单输入单输出、单输入多输出和多输入多输出三种方法。
然后进行数据采集。
对于单输入单输出方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振型数据;单输入多输出及多输入多输出的方法要求大量通道数据的高速采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本极高。
在采集信号数据以后，还要在时域或频域对信号进行处理，例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。
2.建立结构数学模型根据己知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及参数识别的依据，目前一般假定系统为线性的。
由于采用的识别方法不同，数学建模可分为频域建模和时域建模。
根据阻尼特性及频率藕合程度又可分为实模态和复模态等。
3.参数识别按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法。
激励方式不同，相应的识别参数方法也不尽相同。
并非越复杂的方法识别的结果越可靠。
对于目前能够进行的大多数不是十分复杂的结构，只要取得了可靠的频响数据，用简单的识别方法也可能获得良好的模态参数;反之，即使用最复杂的数学模型、最高级的拟合方法，如果频响测量数据不可靠，识别的结果也不会理想。
4.振型动画参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相应各阶模态的振型。
但是由于结构复杂，由许多自由度组成的振型的数组难以引起对振动直观的想象，所以必须采用振型动画的办法，将放大的振型叠加到原始的几何形状上。
车身部件的模态试验1.测点选择和传感器布置为提高模态参数的识别精度，必须合理布置激励点和响应点的位置，最大限度地减少模态丢失。